negrete lopez

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

Escuela Superior de Ingeniera Qumica e

Industrias Extractivas

MEJORA SIGNIFICATIVA, FSICA Y MECNICA, DEL HIERRO NODULAR, POR MEDIO DEL TRATAMIENTO

TRMICO DE AUSTEMPERIZADO

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO EN METALURGIA Y MATERIALES

PRESENTAN:

NEGRETE LPEZ ERNESTO

VZQUEZ RAMREZ ELIZABETH

DIRECTOR DE TESIS

ING. FRANCISCO LAGUNES MORENO Cdula profesional No. 384514

Academia de Siderurgia y Fundicin.

Mxico, D. F. 2008

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DEDICATORIA A nuestro hijo Paul Alexander Negrete Vzquez, a quien amamos y es nuestra inspiracin de seguir adelante cada da de nuestras vidas. A nuestros Padres que gracias a su amor, confianza, apoyo incondicional y por sus sacrificios nos brindaron la oportunidad de estudiar e inculcaron en nosotros valores para ser las personas que hoy por hoy somos. A nuestros Abuelos, Hermanos, Hermanas, Sobrinos, Amigos y Tos que creen en nosotros, por su apoyo y cario gracias. A todos nuestros profesores que durante toda nuestra educacin desde la niez, adolescencia y finalmente durante nuestra estancia en el Instituto Politcnico Nacional gracias por su apoyo, sus enseanzas profesionales as como sus experiencias personales que nos brindaron para ser mejores personas en lo personal y lo profesional.

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AGRADECIMIENTOS Damos gracias a Dios por la vida que tenemos, por nuestro hijo y seres queridos, por hacer nuestro sueo realidad y seguir juntos como esposos apoyndonos mutuamente. Al Ing. Francisco Lagunes Moreno por creer en nosotros y aceptar ser nuestro orientador de Tesis. A la Dra. Manuela Daz Cruz y al Ing. Jorge Ramrez Cevallos gracias por aceptar ser nuestros sinodales, por sus sugerencias, correcciones y comentarios.

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INDICE

Pag. RESUMEN 1 INTRODUCCIN 2 I. GENERALIDADES 3 1.1 INFLUENCIA DE LOS MATERIALES UTILIZADOS POR LA INDUSTRIA AUTOMOTRIZ DE ESTADOS UNIDOS

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1.2 EL ACERO Y LAS FUNDICIONES DE HIERRO 6 II. DESCRIPCIN DEL PROCESO 12 2.1 MTODOS DE OBTENCIN DE HIERRO NODULAR. 13 2.2 HIERRO NODULAR AUSTEMPERIZADO (ADI) 21 2.3 PROCESAMIENTO VENTANA 23 2.4 CONTEO DE LOS NDULOS Y PORCIENTO DE NODULARIDAD

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2.5 EFECTO DE LOS ELEMENTOS ALEANTES 30 2.6 UTILIZACIN DEL HIERRO NODULAR 32 III. PRUEBAS DE MAQUINADO 34 3.1 OBTENCION DEL HIERRO NODULAR 35 3.2 APLICACIN DE AUSTEMPERIZADO 38 3.3 RESULTADOS 41 3.4 ANLISIS DE RESULTADOS 46 3.5 FUNDAMENTOS DEL GRADO DE MAQUINABILIDAD DEL HIERRO NODULAR AUSTEMPERIZADO

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IV. PROYECCIN A FUTURO 51 CONCLUSIONES 53 BIBLIOGRAFIA 55

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LISTA DE FIGURAS Pg. FIGURA 1. Diferencias por tipo de material utilizado en vehculos 6 FIGURA 2. Diagrama de equilibrio Hierro (Fe) Carburo de Hierro (Fe3C)

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FIGURA 3. Hojuelas de grafito de una fundicin de Hierro Gris 8 Figura 4. HIERRO GRIS 9 Figura 5. HIERRO NODULAR 9 Figura 6. Estructura tpica de colada, ffeerrrriittaa ++ppeerrlliittaa 11 Figura 7. Estructura producida por el tratamiento de austempering, aauussffeerrrriittaa

11

Figura 8. Mtodo Sndwich 13 Figura 9. Contenido de manganeso recomendado segn el espesor de la pieza

17

Figura 10. Ndulos de grafito de una fundicin de Hierro Maleable o Nodular

18

Figura 11. Proceso de Austemperizado 22 Figura 12. Diagrama de transformacin isotrmica, mostrando la trayectoria trmica de un tratamiento trmico de austemperizado tpico para el hierro nodular 1.5 % Ni - 0.3 % Mo

23

Figura 13 A. Micrografa de ADI grado 1 24 Figura 13 B. Atacado con Nital 5%. 24 Figura 14. Esquemas del proceso de austenizado. 24 Figura 15. Esquema de un diagrama de fase del hierro nodular graftico.

25

Figura 16. Foto micrografa de un ADI austenizado debajo de la temperatura critica superior, las regiones claras son ferrita.

25

Figura 17. Se aprecia perlita (constituyente oscuro) en la ausferrita.

26

Figura 18. Fenmeno de segregacin que ocurre durante el enfriamiento, (solidificacin) siendo notable que sean el Mo y el Mn, grandes estabilizadores de carburos los ms proclives a este fenmeno.

27

Figura 19. Carburos de Molibdeno (color claro) en el ADI. 27 Figura 20. Regiones segregadas (color claro) con alto 29 contenido de Mn en el ADI. Figura 21. Microestructura tpica del hierro nodular tratado a 315 C, mostrando

30

Figura 22. Algunas de las partes hechas con Hierro Nodular, utilizados en Automviles Japoneses

32

Figura 23. Demostracin de ventajas del ADI comparado con el acero y hierro dctil.

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Figura 24. Demostracin de ventaja del ADI comparado con el Aluminio

33

Figura 25.- Esquema del sndwich utilizado. 37

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Figura 26. (A) Microestructura del hierro nodular con una matriz de 25% de perlita y 75% de ferrita (66X), (B) con 90% de perlita y 10% de ferrita (66X)

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Figura 27. (A) Microestructura del hierro con tratamiento ADI a 350C durante 40 minutos con matriz de partida 75% ferrita - 25% perlita (66X), (B) con matriz de partida 10% ferrita 90% perlita en las mismas condiciones de tratamiento ADI (66X)

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Figura 28. (A) Microestructura del hierro con tratamiento ADI a 440C durante 40 minutos con matriz base 10% ferrita - 90% perlita (150X), (B) con matriz de partida 10% ferrita 90% perlita en las mismas condiciones de tratamiento ADI (150X)

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Figura 29. Zona aledaa al ndulo, en la muestra tratada isotrmicamente a 400C durante 40 minutos, con la matriz original de 25% ferrita 75% perlita, escala 5 m

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LISTA DE TABLAS Pg. Tabla 1. Propiedades mnimas de acuerdo con la especificacin ASTM A536 para hierro dctil convencional

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Tabla 2. Propiedades mnimas de acuerdo con la especificacin ASTM 897/A897M-06 para ADI

11

Tabla 3. Caractersticas de los Hierros Nodulares 20 Tabla 4. Propiedades mnimas especificadas para el ADI. ASTM A897 / A897M

21

Tabla 5 .-Aleaciones recomendadas para obtener el ADI. 28 Tabla 6. Matrices del hierro nodular funcin del tratamiento trmico aplicado

38

Tabla 7. Condiciones experimentales de tratamiento isotrmico del hierro nodular.

40

Tabla 8. Resultados de la evaluacin microestructural, % de austenita sin transformar en funcin de los diferentes % de ferrita y % de perlita en la matriz original, para las muestras con tratamiento isotrmico a 350 C

41


42

Tabla 10. Resultados de la resistencia al impacto (RI), resistencia al desgaste (RD) y dureza Brinell (HB), para las muestras con tratamiento isotrmico a 350 C

42


43

Tabla 12 Porcentaje de las aleaciones demandadas para los prximos 20 / 30 AOS

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RESUMEN En trminos generales, el presente trabajo se realiz con el objetivo de sustituir partes y componentes de automotores por elementos de menor peso especfico adems de la disminucin de emisiones contaminantes en su operacin, as como eficientar la productividad en el transporte, por la obtencin de una mayor resistencia mecnica, todo esto mediante la aplicacin del tratamiento trmico de Austemperizado del hierro nodular. El proceso de Austemperizado del hierro Nodular, consiste en el cambio de matrices de Perltica y/o Ferrtica a matriz Ausferrtica, permitiendo un aumento en el rendimiento cercano al 30 % en sus propiedades Mecnicas y Fsicas. Existi como antecedente, en sus primeros escarceos en el mbito de la produccin, la dificultad que ofreca el maquinado de estas piezas debido al excesivo endurecimiento que se obtena cercano a un valor Brinell de 400 unidades como resultado de aplicar este tratamiento, lo que dificult su insercin pronta en la industria y por eso fue que permaneci casi 20 aos sin un desarrollo significativo. El mencionado desarrollo, entr en una aceleracin destacada debido a las investigaciones exitosas que se obtuvieron en las nuevas aleaciones para elaborar herramientas de corte y por la aplicacin de otras alternativas que consistieron bsicamente en aplicar el maquinado antes de someterlas al Austemperizado. Ahora se encuentra solicitada entre las aleaciones del futuro para los prximos veinte y treinta aos con una demanda del 25.8 % El tratamiento se aplica para obtener la transformacin de las matrices, como se dijo antes, y consta de dos partes principales. Una es someter las piezas a un austenizado, mantener la temperatura a razn de una hora por pulgada en cresta y enfriar sbitamente hasta la temperatura sealada en un bao de sales o Plomo fundido (semejante al Proceso de Patentado) un tiempo similar al anterior en cresta, pero teniendo cuidado de no pasarse del tiempo calculado, porque se llega al rea de la Bainita y al enfriarse se obtendra la Martensita, cosa indeseable pues en su condicin de muy alta dureza que la hace muy proclive a la fragilidad, requiere forzosamente un revenido, lo que incrementa el costo de manufactura de modo muy significativo. Cabe mencionar que en nuestro pas este proceso es desconocido no existiendo en la actualidad ninguna Planta de Fundicin que lo procese, por lo que es imperativo para la insercin de Mxico en las cadenas mundiales de Produccin, cuanto antes iniciar el conocimiento, caracterizacin, desarrollo y produccin de esta importante aleacin Hierro Carbono.

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INTRODUCCION El Hierro Nodular es un material muy empleado actualmente en la Industria Automotriz, ya que presenta algunas ventajas con respecto al Acero o el Hierro Gris, como son, por ejemplo, mayor resistencia a la fatiga y mayor resistencia al desgaste, aunque con un costo mayor de fabricacin que el Hierro Gris. Por su buena tenacidad el Hierro Nodular est siendo utilizado para la fabricacin de piezas que experimentan ciclos de fatiga, ya que por el tipo de estructura cristalogrfica que posee, inhibe el crecimiento y propagacin de grietas, adems posee una alta resistencia al desgaste, como se requiere, por ejemplo, en cigeales, monoblocks, engranes, masas, etc. Con el objetivo de sustituir partes y componentes de automotores por elementos de menor peso especfico, disminuir las emisiones contaminantes y eficientar la productividad en el transporte, se propone la aplicacin del tratamiento trmico de Austemperizado al hierro nodular debido a que se ha demostrado que la aplicacin de este tratamiento trmico mejora notablemente las propiedades de los Hierros Nodulares. El buen balance de propiedades mecnicas de un ADI (Austempering Iron Ductile) se logra mediante el control de la microestructura que se produce durante el austempering. Actualmente est bien establecido que durante la transformacin isotrmica, la austenita se descompone en dos etapas, de las cuales, el producto resultante de la etapa I est constituido por una mezcla de ferrita acicular () y austenita con alto porcentaje de carbono (AC). A esta mezcla actualmente se le designa como ausferrita. La etapa II es la descomposicin de la ausferrita en austenita y Fe3C (carburos) La obtencin de una microestructura de ausferrita ptima, que es la responsable de proporcionar una combinacin de resistencia, ductilidad y tenacidad en un ADI, requiere llevar a su mximo desarrollo a la reaccin de la etapa I, limitando lo ms posible, el desarrollo de la etapa II, ya que si se interrumpe antes del tiempo ptimo, la ductilidad y tenacidad se vern disminuidas debido a la presencia de martensita y zonas de austenita sin transformar.

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C A P I T U L O I

G E N E R A L I D A D E S

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1.1 INFLUENCIA DE LOS MATERIALES UTILIZADOS POR LA INDUSTRIA AUTOMOTRIZ DE ESTADOS UNIDOS Al comparar los automviles fabricados en Estados Unidos desde 1976 hasta los que actualmente se fabrican, una de las primeras diferencias que saltan a la vista es la reduccin del peso vehicular, adems de cambios en aerodinmica, volumen, esttica, materiales, diseo, etc. Esta reduccin en el peso de los vehculos, inicialmente fue provocada por la crisis petrolera de la dcada de los 70s, la cual origin fuertes regulaciones por parte del gobierno de Estados Unidos para un mejor aprovechamiento de los combustibles. Como ejemplo, la estructura de un vehculo tpico tenia en 1976 un peso promedio de 1514 Kg.; en la actualidad pesa alrededor de 1285 Kg. Algunos diseadores proyectan que el peso de los vehculos decrezca en cerca del 2% al 5% en los aos siguientes. Causas de la reduccin del peso en los vehculos Como se indic anteriormente, la causa principal para las reducciones en el peso de los vehculos fueron inicialmente las regulaciones gubernamentales, las cuales favorecieron el aumento en el rendimiento de los vehculos posteriormente, fueron las polticas de proteccin al medio ambiente al tratar de reducir las emisiones contaminantes; en la actualidad se suman las preferencias del consumidor. Adems de la necesidad de la reduccin del peso en los componentes de un vehculo, existen otros factores de ndole industrial que han coadyuvado al desarrollo tecnolgico de los materiales utilizados tradicionalmente en esta industria y en otros casos se ha convertido en una realidad el empleo de nuevos materiales, estos factores son el empleo de nuevos procesos de manufactura, reduccin de costos, mayor nmero de partes para reciclado, aumento de la seguridad de los ocupantes en caso de colisiones, etc. A continuacin se analiza las tendencias de los materiales no metlicos y ferrosos en la industria automotriz de Estados Unidos. Influencia de los materiales no metlicos A pesar de las reducciones en el peso de los vehculos, estas reducciones no han afectado a todos los materiales por igual en lo que se refiere a la cantidad empleada por vehculo, por ejemplo, las partes de vehculos manufacturados con materiales no metlicos han experimentado pocos cambios desde 1976, en ese ao los vehculos utilizaban en promedio 478 Kg. y en el ao de 1998 se utilizaron 464 Kg.; se pronostica que se mantenga esta cantidad en los prximos aos.

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Este comportamiento puede ser explicado como resultado del desarrollo tecnolgico que se ha experimentado en estos materiales, los cuales son: aumento de la resistencia mecnica, mejor ductilidad, aumento de la resistencia a la fatiga y al calor, combinado con una baja densidad. Influencia de los materiales ferrosos Lo expresado en la seccin anterior indica que gran parte de la reduccin del peso de los vehculos se debe entonces a las reducciones en partes hechas con materiales ferrosos, es decir, de aquellas partes hechas con aleaciones de hierro y acero, los cuales se estudian a continuacin: Hierro Con respecto al contenido de Hierro en los vehculos fabricados en Estados Unidos, mucho del cual reside en el motor y en la transmisin, se redujo la cantidad promedio por vehculo de 255 Kg. para el ao de 1976 a 163 Kg. en 1998. Mientras muchas de estas reducciones pueden ser debidas al incremento de partes hechas con aluminio, tambin se deben a la utilizacin de nuevas tecnologas en el diseo, como el anlisis por elemento finito o por nuevos procesos de fabricacin, como la estereolitografa (obtencin de objetos a partir de resina endurecida por rayo lser), los cuales han provocado una mejora en las fundiciones ferrosas o la posibilidad del empleo de nuevos materiales, lo que hace posible la disminucin del peso de los componentes fabricados sin disminuir la resistencia mecnica. Acero La masa de acero utilizada se ha reducido desde 1976, en este ao un vehculo tpico tenia 1036 Kg. de acero en promedio, para 1998 se estim en 823 Kg. (de acuerdo a la American Metal Market). A pesar de estas reducciones, simultneamente aument el contenido tecnolgico del acero, como por ejemplo el empleo de nuevas tcnicas de fundicin, el hidroformado o el incremento del uso de aleaciones de acero de alta resistencia, lo que ha contribuido a mantener la utilizacin de acero por largo tiempo. Un resumen de la informacin anterior se muestra en la figura 1, en ella se presentan los cambios porcentuales de los materiales utilizados en la fabricacin de un vehculo tpico en Estados Unidos, entre 1976 y 1998.

FIGURA 1. Diferencias en peso por tipo de material utilizado en vehculos En el siguiente captulo se estudia ampliamente al acero y las fundiciones de hierro, con el fin de conocer en detalle las diferencias y similitudes de estos materiales con respecto al Hierro Nodular. 1.2 EL ACERO Y LAS FUNDICIONES DE HIERRO En este captulo se hace una breve introduccin con respecto a las aleaciones de Hierro (Fe) y Carbn (C), conocidas comercialmente como Acero y Fundiciones de Hierro, el estudio se enfoca principalmente a los tipos de Fundiciones de Hierro que existen y, dentro de esta familia, el inters es conocer lo referente al Hierro Nodular, sus propiedades mecnicas y qumicas, ya que constituyen el enfoque primordial para el desarrollo de este trabajo. Acero El hierro puro (Fe) se utiliza muy poco para la fabricacin de objetos debido a que es un material suave y dbil, en cambio, se utiliza ampliamente cuando se le adiciona carbn (C), ya que el hierro adquiere dureza y resistencia. El efecto benfico del carbn, aunque crea problemas para fabricarlo, es ventajoso cuando se encuentra en un rango de 0.17% al 2% (figura 2), a estas aleaciones o mezclas se les conoce como Aceros, de los cuales existe una gran variedad dependiendo de la cantidad de elementos qumicos adicionalmente agregados (Silicio, Manganeso, Cromo, etc.) y la velocidad de enfriamiento, entre otros factores.

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FIGURA 2. Diagrama de equilibrio Hierro (Fe) Carburo de Hierro (Fe3C)

Cuando el contenido de carbn se encuentra entre el 2 y el 4% y el contenido de Silicio de 0.5 a 3%, a la combinacin de Hierro (Fe) Carbn (C) Silicio (Si) se le da el nombre de Fundiciones de Hierro, las cuales se describen a continuacin: Fundiciones de hierro Se conocen como Fundiciones de Hierro a una gran variedad de aleaciones, que se componen bsicamente de Hierro (Fe) - Carbn (C) - Silicio (Si) y, dependiendo de la cantidad que se agrega de cada uno de estos materiales, se generan las caractersticas fsicas y mecnicas de cada material, las cuales se comentan a continuacin. Hierro blanco El Hierro Blanco, contiene entre 2 y 3.3% de carbn, este tipo de aleacin puede ser utilizado para fabricar partes donde se necesite una alta resistencia a la abrasin, pero las aplicaciones son limitadas ya que es una aleacin frgil, debido a que mucho del contenido de carbn est presente como carburos de hierro (Fe3C), el cual es un compuesto duro y frgil. El nombre de Hierro Blanco, se debe a que la superficie de fractura presenta un color brillante y ms claro en comparacin con otras aleaciones de hierro. Su produccin es limitada y slo se utiliza para producir fundiciones con fines decorativos.

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Hierro maleable El Hierro Maleable es otro tipo de fundicin de hierro, ste se obtiene despus de aplicarle al Hierro Blanco un tratamiento trmico que disuelve los carburos de hierro (Fe3C) en Hierro (Fe) y Carbn (C), a ste ltimo se le encuentra como grafito, ya sea en forma de hojuelas o en forma de ndulos (esferas). En esta condicin (con los carburos de hierro disueltos), la aleacin tiene mejores propiedades mecnicas, ya que tiene una excelente combinacin de alta resistencia a la tensin y alta deformacin, los cuales van desde 280 MPa con 18% de deformacin hasta 800 MPa con 2% de deformacin. Hierro gris El Hierro Gris tiene entre 2.5 y 4% de Carbn y de 1 a 3% de Silicio, en este caso el carbn se combina con el hierro para formar carburos de hierro (Fe3C) estructura que se le conoce con el nombre de cementita, sin embargo como el carbn est en exceso, el carbn que no puede combinarse con el hierro se encuentra como grafito finamente dispersado y en forma de hojuelas (Figura 3), las cuales actan como concentradores de esfuerzos cuando el material es sometido a ciclos de carga, y por lo tanto, ayudan a la propagacin de grietas. Como resultado de este proceso, las fundiciones de Hierro Gris son dbiles, con esfuerzos de tensin ltima del orden de 150 a 400 MPa y no presentan deformacin. El tamao de las hojuelas de grafito vara de acuerdo a las condiciones de produccin y del espesor de la fundicin, normalmente la longitud de las hojuelas es de 0.1 a 1.0 mm.

FIGURA 3. Hojuelas de grafito de una fundicin de Hierro Gris El nombre de esta aleacin, al igual que en el Hierro Blanco, se debe al color de la superficie de fractura, el cual es de color gris debido a las hojuelas de grafito.

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Hierro nodular El hierro dctil o nodular se obtiene mediante la introduccin controlada de magnesio en el hierro fundido, y bajas proporciones de azufre y fsforo. Se obtiene de este modo una extraordinaria modificacin en la microestructura del metal, ya que el carbono se deposita en la matriz ferrtica en forma de esferas (Figura 4) al contrario de lo que ocurre en el hierro gris, en el que el carbono toma la forma de lminas (Figura 5). El resultado de este importantsimo cambio de estructura, es un hierro mucho ms fuerte, resistente y elstico con: . Resistencia a la compresin. . Aptitud al moldeo. . Resistencia a la abrasin. . Maquinabilidad. . Resistencia a la fatiga. Para producir la estructura nodular el hierro fundido que sale del horno se inocula con una pequea cantidad de materiales como magnesio, cerio, o ambos.

Figura 4. HIERRO GRIS Figura 5. HIERRO NODULAR VENTAJAS DEL HIERRO NODULAR. Una de las ventajas ms importantes que aporta este material es la reduccin de peso en las piezas, lo que permite disminuir las cuadrillas de instalacin y aligerar el transporte. Para seguir enumerando ventajas, podramos mencionar un apreciable aumento de la resistencia a la traccin (420 N/mm2) respecto de las ya elevadas de las fundiciones grises (180 a 200 N/mm2); tambin la capacidad de alargamiento que rebasa ampliamente el 5%. Por ello este tipo de fundicin, que sigue conservando las excelentes propiedades de resistencia a la corrosin de las fundiciones de hierro, se comporta desde un punto de vista mecnico, prcticamente como el acero.

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En resumen, an poseyendo el mismo contenido de carbono que la fundicin gris, la fundicin dctil aade tres caractersticas importantes: . Resistencia a la traccin y a los choques. . Alargamiento importante. . Alto lmite elstico. En aos recientes, los fabricantes y usuarios de las fundiciones de Hierro Nodular han observado el uso potencial de este material, como resultado del amplio rango de propiedades mecnicas que ofrecen. Desde su introduccin comercial en 1948, las fundiciones de Hierro Nodular han sido una alternativa en cuanto a costo de fabricacin con respecto a las Aleaciones con cierta ductilidad, las Fundiciones de Acero, las Piezas Forjadas y otros tipos de materiales. Las fundiciones de Hierro Nodular son empleadas en cada campo de la ingeniera y en cada regin geogrfica del planeta se les conoce con diferentes nombres, por ejemplo, Hierros Nodulares o Hierros Dctiles; en este trabajo se hace referencia a estas fundiciones como Hierros Nodulares. Como se explicaba, los Hierros Nodulares se convirtieron en una realidad industrial en 1948 y fueron producto de un tratamiento realizado en la fusin del Hierro Gris, lo que caus que el grafito que estaba presente en forma de hojuelas se transformaran en forma de esferas o Ndulos. La forma Nodular del grafito redujo el efecto de agrietamiento cuando el material es sometido a cargas cclicas, y por lo tanto, aument la resistencia a la fatiga, debido a que las esferas actan como arrestadores de grietas. Una de las razones principales del xito del hierro nodular, es el amplio intervalo de propiedades mecnicas que este material puede proporcionar, como se muestra en la tabla 1. Tabla 1. Propiedades mnimas de acuerdo con la especificacin ASTM A536 para hierro dctil convencional

Grado Resistencia a la traccin (MPa/ksi)

Lmite de fluencia (MPa/ksi)

Elong. Dureza tpica (DB)

60/40/18 414/60 276/40 18 170 max. 65/45/12 448/65 310/45 12 156-217 80/55/06 552/80 379/55 6 187-255 100/70/03 689/100 483/70 3 241-302 120/90/02 827/120 621/90 2

Desde la dcada de los 90, el intervalo de propiedades mecnicas disponible en los HD se ha extendido mediante la incorporacin de un nuevo miembro a la familia, este nuevo tipo se conoce como hierro dctil austemperizado (ADI). El ADI se obtiene al dar al hierro dctil convencional un tratamiento trmico de austempering o austemperizado.

El proceso de Austemperizado del hierro Nodular, consiste en el cambio de matrices de Perltica y/o Ferrtica a matriz Ausferrtica, permitiendo un aumento en el rendimiento cercano al 30 % en sus propiedades Mecnicas y Fsicas.

Figura 6. Estructura tpica de colada,

f

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Tabla 2. Propiedades mnimas de acuerdo con la especificacin ASTM 897/A897M-06 para ADI

Grado Unidades SI

Resistencia a la traccin

(MPa/ksi)

Lmite de fluencia

(MPa/ksi)

Elong. (%)

Energa de impacto (J/ft-lb)a

Dureza tpica (DB)

750/500/11 750/110 500/70 11 110/80 241-302 900/650/09 900/130 650/90 9 100/75 269-341

1050/750/07 1050/150 750/110 7 80/60 302-375 1200/850/04 1200/175 850/125 4 60/45 341-444 1400/1100/02 1400/200 1100/155 2 35/25 388-477 1600/1300/01 1600/230 1300/185 1 20/15 402-512

feerrrriittaa ++ppeerrlliittaa

Figura 7. Estructura producida por el

tratamiento de austempering, aauussffeerrrriittaa

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DESCRIPCIN DEL PROCESO

2.1 MTODOS DE OBTENCIN DE HIERRO NODULAR. En la actualidad existen varios mtodos para la obtencin de hierro dctil, a continuacin se describirn brevemente algunos de los ms importantes:

A) El mtodo del cucharn abierto: Es el mtodo ms simple para la obtencin de hierro dctil. Consiste bsicamente en vaciar rpidamente el metal lquido en el cucharn de reaccin, en la parte inferior del cucharn de reaccin se deposita la aleacin que contiene magnesio. Para poder obtener una buena recuperacin de Magnesio en este mtodo se recomienda que la altura del cucharn de reaccin sea de 2 1/2 a 3 veces el dimetro del mismo, esto es con la finalidad de prolongar el contacto entre el Hierro y los vapores de Magnesio. En este mtodo las recuperaciones de magnesio son de aproximadamente del 20 al 25 %, la recuperacin del magnesio depende de factores como: la temperatura de vaporizacin del Magnesio y la baja solubilidad en el hierro.

B) El mtodo del sndwich. Este es un mtodo que se origina del mtodo de cucharn abierto, pero con una modificacin en el fondo de la olla (bolsa, recoveco, depresin). El trmino de sndwich se deriva porque a la aleacin nodulizante se le cubre con un material antes de adicionar el Hierro lquido para retardar el inicio de la reaccin. Este mtodo es uno de los ms usados en la produccin de hierro dctil y consiste en una olla de reaccin de altura de 2 1/2 a 3 veces el dimetro de la misma y en el fondo de la olla de reaccin un recoveco para el alojamiento de una aleacin que aporta el Magnesio y Silicio, adems del material que cubrir la aleacin de Magnesio. La recuperacin de Magnesio es mayor que en el mtodo de cucharn abierto. El material que cubre a la aleacin nodulizante puede ser pedacera de acero, arena recubierta con resina Shell y carburo de calcio.

Figura 8. Mtodo Sndwich

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Como beneficio de este mtodo tenemos el enfriado de la aleacin nodulizante, por el material que se ocupa para cubrir la aleacin, ya que el Magnesio tiene un bajo punto de fusin y de esta forma podemos tener una mayor recuperacin de Magnesio. Como desventaja de este mtodo tenemos la prdida de temperatura (+/- 400C) por el calor adicional requerido para fundir el material que recubre la aleacin nodulizante. El metal lquido debe caer del lado contrario al recoveco, el procedimiento para la obtencin del hierro nodular por este mtodo es el siguiente: a) Adicionar la aleacin que aporta el Magnesio en el recoveco de la olla de reaccin. b) Adicionar el material que cubre la aleacin que aporta el magnesio. c) Vaciar el metal a la olla de reaccin. d) Transferir el metal a la olla de vaciado y realizar la inoculacin. El mtodo donde se ocupa arena recubierta como material que cubre la aleacin nodulizante se le conoce como el mtodo del gatillo. Con el metal lquido se forma una pelcula de vidrio la cual tiene que ser perforada para dar inicio a la reaccin de nodulizacin, como desventaja de este mtodo se tiene la gran cantidad de escoria generada.

C) Mtodo Tundish. La primera informacin que se tuvo del mtodo de olla cubierta fue publicada en 1978. Para 1988 en USA se ocupa para producir el 40 % del hierro nodular, teniendo recuperaciones de magnesio de un 60 a 70 %.La prdida de Mg como MgO son reducidas considerablemente debido a que una vez que el orificio de la olla es cubierto con metal no hay posibilidad que pueda entrar oxgeno nuevo a la olla. Debido a que la cubierta resulta en un sellado hermtico se requieren algunos mtodos de ventilacin para liberar la presin generada por el tratamiento, con el fin de evitar deformaciones en el orificio de la olla, realizando un barreno de 12 mm aproximadamente en la parte superior de la olla. En este mtodo se tiene que cambiar la cubierta de la olla en cada tratamiento siendo esto una desventaja para este mtodo. Pero esta desventaja fue superada por la incorporacin de una abertura separada al orificio de alimentacin del metal lquido, por medio de la cual se adiciona la aleacin nodulizante siendo posteriormente cerrada por un tapn de acero. Muchos diseos de ollas cubiertas incorporan el uso de una divisin en la parte baja de la olla; tambin se recomienda el uso de un material de recubrimiento para la aleacin nodulizante en pequeas cantidades comparada con el mtodo sndwich. Las desventajas principales de este mtodo son: Como en este mtodo no se puede ver el nivel de la olla se requiere de la ayuda de una bscula provista de un indicador de cartula de regular tamao para que se aprecie el peso del metal servido de manera visual. Otra de las desventajas es una constante y necesaria reparacin de las tapas debido a la gran cantidad de escoria que se acumula en ellas.

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Las principales ventajas son: la recuperacin de Magnesio, la eliminacin del efecto pirotcnico de la reaccin, la reduccin del 90 % de vapores, y la minimizacin de las salpicaduras de metal, reduciendo prdidas de carbono y temperatura. D) Mtodo de inmersin. En este mtodo un dispositivo refractario en forma de campana conteniendo el material nodulizante es sumergido profundamente en el metal liquido en la olla, el material nodulizante es usualmente retenido en la campana por medio de una lmina de acero o de algn otro dispositivo para su contencin. Se recomienda el uso de una olla de altura dos veces el dimetro de la misma con el fin de tener una mayor recuperacin de Magnesio, ya que los vapores de Magnesio tendrn un mayor contacto con el metal por la distancia que recorren. La vida de la campana de inmersin depende del cuidado de la misma principalmente, se deben evitar cambios bruscos de temperatura, y es recomendable el precalentamiento de la campana y sobre todo evitar el enfriamiento de la misma durante su uso. Desventajas: la gran prdida de temperatura debido al tiempo de ensamble de la campana y su propia masa, que genera prdida adems de temperatura por lo que debe ser empleado principalmente como un mtodo de proceso continuo. Ventajas: se requiere menos cantidad de material nodulizante que en otros mtodos, presenta emanaciones reducidas de humos y flamas, genera menor cantidad de escoria, reduce las salpicaduras metlicas, y con el empleo de una aleacin nodulizante del 5 % en Magnesio se pueden tener recuperaciones de Magnesio del 5O %. E) El mtodo de tratamiento en el molde. Este proceso consiste en una cmara de reaccin especial que es incorporada dentro de los corredores y sistemas de alimentacin del molde, la aleacin nodulizante es colocada dentro de la cmara y la reaccin ocurre durante el proceso de vaciado. Este proceso requiere de un control cuidadoso para obtener un buen esferoidizado del grafito que en la pieza presente las propiedades fsicas requeridas de acuerdo a las especificaciones. Una reaccin controlada entre la aleacin nodulizante y el metal lquido depende de un gran nmero de condiciones como: temperatura del metal, la velocidad y tiempo de llenado, la condicin de la aleacin, el tamao y la geometra de la pieza; sin embargo estos factores son fcilmente controlables pero se requiere conocimiento y experiencia para manipularlos correctamente. Las recuperaciones de Magnesio son del 70 y 80 % aunque se han logrado aproximaciones al 100 %. Este mtodo requiere de contenidos de azufre de 0.01 % o menores. Las desventajas principales del mismo son: el incremento de la escoria y otros productos de reaccin atrapados en la pieza, que generan inclusiones. La necesidad de realizar pruebas de nodularidad en cada pieza producida debido a que cada molde recibe un tratamiento.

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F) El mtodo del tapn poroso: La intensa agitacin por la introduccin de una gran cantidad de burbujas de gas inerte a travs de la parte baja de la olla puede ser usada efectivamente para la nodularizacin. Con esta accin turbulenta la aleacin reactiva del Magnesio u otro material nodulizante puede ser adicionada en la parte superior del bao en las ollas de tratamiento; la accin de mezclado arrastra al material a la parte baja de la olla de tratamiento donde la reaccin respectiva tiene lugar libre de la presencia del oxgeno existente en la atmsfera. La recuperacin de Magnesio puede ser como mximo de 35 por ciento, sin embargo el excesivo burbuje reduce esta recuperacin rpidamente. El tiempo normal de burbuje para el nodulizado es de 15 a 30 segundos. Cuando el proceso de tapn poroso es usado con Magnesio generalmente se conjuga con una operacin de desulfurado en el mismo reactor. La prdida de temperatura con el burbujeo del gas inerte es una desventaja del proceso. Para ollas grandes se requiere ms de un tapn poroso para poder lograr una agitacin adecuada.

G) Mtodo del reactor basculante: Es un reactor cilndrico capaz de girar 180 sobre un eje estacionario, este proceso es capaz de usar Magnesio puro debido a la habilidad de poder ser sellado hermticamente. Una cmara de reaccin con su propia puerta es construida con refractario perforado para contener el material nodulizante que est fuera de contacto con el hierro lquido cuando est en posicin horizontal; cuando el reactor es rotado a su posicin vertical la reaccin entre el Magnesio y el Hierro lquido se inicia generando una presin de 4 a 5 Psi. Como ventajas de este mtodo se pueden mencionar las siguientes: se puede usar una aleacin de bajo costo, se puede desulfurar y nodulizar al mismo tiempo. Como desventajas de este mtodo tenemos: la violencia de la reaccin y el elevado costo del equipo.

Uno de los aspectos importantes lo es el contenido de manganeso ya que su contenido como es conocido es un formador de carburos por lo que en este caso es necesario su control estricto sobre todo si se pretende la obtencin de hierro con matriz ferrtica para lo cual se puede anular su efecto mediante la introduccin del silicio calculado segn la grafica de la figura 9, la cual supone implcitamente que la eleccin del contenido de manganeso es independiente del tipo de matriz deseado. Debe servir solamente para un fin: la ausencia de carburos en estado bruto de colada.

El estudio del grafico pone de manifiesto otras caractersticas interesantes del efecto del contenido de manganeso.

En las piezas delgadas, de paredes de hasta ligeramente ms de 25 mm, la tendencia del manganeso a promover carburos puede neutralizarse eficazmente aumentando el contenido de silicio.

Cuanto ms delgada sea la pieza. En las piezas con paredes de un espesor de 12 mm el aumento de contenido de silicio de 2,5 a 3,0 % permite aumentar el contenido de manganeso desde 0,25 a 0,35 % aproximadamente. Las piezas ms gruesas no permiten el mismo aumento de manganeso, debido a la segregacin.

El manganeso segrega preferentemente en el lquido, tanto ms cuanto ms lento sea el enfriamiento. Ms tarde se ver que con un contenido medio de manganeso del 0, 04 %, el ltimo hierro en solidificar puede contener hasta 2,5 % de Mn o ms. En estas secciones de espesor medio y grande el silicio no es til, porque ste segrega inversamente, es decir, en el primer hierro que solidifica.

Figura 9. Contenido de manganeso recomendado segn el espesor de la pieza

El otro elemento y ms importante en la composicin del metal base lo es el azufre el cual debe estar lo mas bajo posible pues un valor alto conlleva al gasto de una cantidad mayor de magnesio, el inoculante mas empleado para la obtencin del grafito nodular generalmente se recomienda que su valor este en el metal base por debajo de 0.02%.

Ahora bien adems de la composicin del metal base, para la obtencin del hierro nodular se necesita el nodulizante dentro de los cuales podemos encontrar varios como son el magnesio, el cerio y las tierras raras sin embargo el mas empleado es el magnesio en forma de aleacin con bajo contenido de magnesio pues el magnesio tiene una temperatura de ebullicin baja al igual que su temperatura de inflamacin por lo que aunque en los inicios se empleo puro ya en la actualidad se emplean las aleaciones con bajo contenido de magnesio como metales para la aleacin se emplean el ferro silicio, el nquel, el cobre etc.

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Otro de los aspectos a tener en cuenta es el contenido de magnesio a introducir en la aleacin, el cual debe ser capaz de disminuir al azufre a niveles abajo, pero adems es necesario que quede un determinado contenido en el metal base que permita la nodulizacin del grafito en forma esferoidal.

Para determinar entre muchas otra se propone la formula siguiente:

Mg res: Magnesio residual el cual oscila entre 0.05 y 0.08%, aunque existen otras teoras que afirman que la cantidad optima esta entre 0.03 y 0.06%, otros dan como rango entre 0.03 y 0.12 aclarando que con 0.06 se obtienen las mejores propiedades mecnicas

S1: Azufre antes del tratamiento. Debe ser el menor posible (0.02%)

S2: Azufre despus del tratamiento, generalmente este valor se asume como 0.01.

n: rendimiento de la incorporacin del Magnesio, el cual depende de la temperatura a la cual se introduce y del contenido del magnesio en la aleacin.

Posteriormente es necesaria la inoculacin con el objetivo de evitar el blanqueamiento y para aumentar la vida del proceso de nodulizacin. La colada se debe realizar lo ms rpido posible para evitar se pierda el efecto de la nodulizacin y que el metal pierda temperatura.

Esta microestructura produce propiedades deseables como alta ductilidad, resistencia, buen maquinado, buena fluidez para la colada, buena endurecibilidad y tenacidad. No puede ser tan dura como la fundicin blanca, salvo que la sometan a un tratamiento trmico, superficial, especial. Este tipo de fundicin se caracteriza por que en ella el grafito aparece en forma de esferas minsculas (Figura 10) y as la continuidad de la matriz se interrumpe mucho menos que cuando se encuentra en forma laminar, esto da lugar a una resistencia a la traccin y tenacidad mayores que en la fundicin gris ordinaria.

Figura 10. Ndulos de grafito de una fundicin de Hierro Maleable o Nodular

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En lo que respecta a la composicin qumica, los Hierros Nodulares son similares al Hierro Gris, aunque con adiciones especiales de Magnesio y Cerio para provocar la sedimentacin del Carbono en forma Nodular y dependiendo de la estructura cristalina existen los siguientes tipos: Hierro Nodular Ferrtico Hierro Nodular Perltico Hierro Nodular Perltico-Ferrtico Hierro Nodular Martenstico Hierro Nodular Austentico Hierro Nodular Austemperizado Hierro Nodular Ferrtico Es una aleacin en donde las esferas de grafito se encuentran incrustadas en una matriz de ferrita; se le llama ferrita a una estructura bsicamente compuesta por Hierro puro, las propiedades ms importantes de esta aleacin son: Alta resistencia al impacto Moderada conductividad trmica Alta permeabilidad magntica En algunas ocasiones, buena resistencia a la corrosin Buena maquinabilidad Hierro Nodular Perltico En esta aleacin las esferas de grafito se encuentran dentro de una matriz de perlita; la perlita es un agregado fino de ferrita y cementita (carburo de hierro Fe3C), sus propiedades son: Relativamente duro Alta resistencia Buena resistencia al desgaste Moderada resistencia al impacto Poca conductividad trmica Baja permeabilidad magntica Buena maquinabilidad Hierro Nodular Perltico-Ferrtico En esta aleacin, las esferas de grafito estn mezcladas en una matriz de ferrita perlita. Esta es la ms comn de las aleaciones de Hierro Nodular y sus propiedades se encuentran entre las propiedades de una estructura de Hierro Nodular Ferrtico y Hierro Nodular Perltico, tienen adems: Buena maquinabilidad Menor costo de fabricacin de las aleaciones de Hierro Nodular.

Hierro Nodular Martenstico Como producto de fundicin, el Hierro Nodular Martenstico es una aleacin dura y frgil, por lo tanto, raramente utilizada. Sin embargo, despus de un tratamiento trmico de templado (Martensita Templada), la aleacin tiene una alta resistencia tanto mecnica como a la corrosin, adems de una alta dureza la cual puede tener un rango de 250 HB (Dureza Brinell) a 300 HB. Hierro Nodular Austentico Estos tipos de aleaciones son ampliamente utilizados por su buena resistencia mecnica, as como por su resistencia tanto a la corrosin como a la oxidacin, poseen adems, propiedades magnticas y una alta estabilidad de la resistencia mecnica y dimensionales a elevadas temperaturas. A continuacin, en la Tabla 3 se presentan los grados o tipos comerciales de acuerdo a la American Standard of Testing Materials ASTM y las propiedades mecnicas de los diversos tipos de Hierros Nodulares.

Tabla 3.- Caractersticas de los Hierros Nodulares

Una mencin aparte es la referente al Hierro Nodular Austemperizado, el cual se describe en el capitulo siguiente, debido a que es el material utilizado para el desarrollo de esta investigacin.

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2.2 HIERRO NODULAR AUSTEMPERIZADO (ADI) El proceso de Austemperizado fue desarrollado primero en los aos 30s como resultado de un trabajo realizado por Mr. Bain, aplicando una transformacin isotrmica en el acero. En los 40s Mr. Flinn aplico este tratamiento trmico al hierro gris. En 1948 la invencin del hierro nodular fue anunciada en conjunto por BCIRA (British Cast Iron Research Association) e INCO (International Nickel Company). Para 1950 con el hierro nodular y el proceso de austemperizado se logr la tecnologa para producir ADI pero a escala de laboratorio y fue hasta 1970 cuando se obtuvieron sistemas semicontnuos para aplicar el proceso al hierro nodular a nivel comercial. Para 1990 se publicaron las especificaciones ASTM A897-90 y ASTM A897M-90 (Tabla 4) para los hierros nodulares austemperizados en Estados Unidos y otras especificaciones en el resto del mundo, adems de un nuevo trmino que describe la matriz microestructural del ADI como Ausferrita. Tabla 4. Propiedades mnimas especificadas para el ADI. ASTM A897 / A897M

Grado Resistencia a la traccin (MPa/ksi)

Cedencia (MPa/ksi)

Elongacin (%)

Energa de impacto

Resiliencia (J/ft-lb)

Dureza (BHN)

1 850/125 550/80 10 100/75 269-321 2 1050/150 700/100 7 80/60 302-363 3 1200/175 850/125 4 60/45 341-444 4 1400/200 1100/155 1 35/25 366-477 5 1600/230 1300/185 N/A N/A 444-555

El proceso de austemperizado aplicado al hierro nodular consiste en proporcionar a las piezas la temperatura de austenizacin (punto crtico superior) y sostenerla en cresta a razn de una hora por pulgada de espesor y a continuacin efectuar un sbito enfriamiento hasta una temperatura predeterminada en bao de sales y mantenindola isotrmicamente hasta obtener la transformacin completa a ausferrita (Figura 11).

Figura 11. Proceso de Austemperizado

El buen balance de propiedades mecnicas de un ADI se logra mediante el control de la microestructura que se produce durante el austempering. Actualmente est bien establecido que durante la transformacin isotrmica, la austenita se descompone en dos etapas: Etapa I: + AC Etapa II: AC + F3C (carburos) El producto resultante de la etapa I est constituido por una mezcla de ferrita acicular () y austenita con alto porcentaje de carbono (AC). A esta mezcla actualmente se le designa como ausferrita. La obtencin de una microestructura de ausferrita ptima, que es la responsable de proporcionar una combinacin de resistencia, ductilidad y tenacidad en un ADI, requiere llevar a su mximo desarrollo a la reaccin de la etapa I, limitando lo ms posible, el desarrollo de la etapa II. Si el desarrollo de la etapa I se interrumpe antes del tiempo ptimo, la ductilidad y tenacidad se vern disminuidas debido a la presencia de martensita y zonas de austenita sin transformar. El rango de temperatura del bao de sales de enfriamiento va de 320 a 480 C (600-900 F), el enfriamiento medio es despus de que se fundi el NaCl el Pb en su caso. Este tratamiento resulta en una matriz ausferrtica, con una muy alta resistencia a la tensin (hasta de 200,000 PSI) y con un porcentaje de elongacin de 1 a 3 % y con una significativa mayor resistencia al impacto, superior a la de los hierros nodulares perlticos (Figura 12). La resistencia se incrementa inversamente a la temperatura isotrmica. Con objeto de evitar la perlita, el ADI es normalmente aleado con Ni y Mo, las combinaciones ms usuales son de 1 a 2 % de Ni con 0.25 a 0.50% de Mo. Las aleaciones con ms concentracin corresponden a las secciones ms pesadas.

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Figura 12. Diagrama de transformacin isotrmica, mostrando la trayectoria

trmica de un tratamiento trmico de austemperizado tpico para el hierro nodular 1.5 % Ni - 0.3 % Mo

El ADI es un tratamiento trmico muy mejorado que expone las propiedades ms atractivas del hierro nodular. Como dato extra si se agrega un pequeo aumento en las cantidades especificadas de Ni y Mo resulta en un hierro nodular ausferrtico obtenido (ast-cast) de vaciado. 2.3 PROCESAMIENTO VENTANA La obtencin del ADI puede dividirse en dos pasos. El primero es el que corresponde a la maximizacin del volumen de la fraccin de ferrita de tipo acicular y el enriquecimiento de la austenita (solucin slida de carbono en hierro gama). El segundo paso es cuando ocurre la ruptura del alto carbono en la austenita descomponindose en ferrita y carburo de hierro. Al intervalo que ocurre entre los dos eventos se le llama PROCESAMIENTO VENTANA. En el mencionado intervalo tienen lugar nicamente cambios menores en la morfologa y la composicin de la ferrita y la microestructura de la austenita lo que hace posible lograr las propiedades mecnicas ptimas del ADI . Aplicando los criterios usados por algunos investigadores, el procesamiento ventana queda definido como el tiempo en el cual la austenita ultra transformada tiene el valor equivalente al 3 % del valor de T2 y puede escribirse de la siguiente manera: Ln T2 = ( Ln t mx. + Ln t mn. ) / 2 Donde, Ln t mx. y Ln t mn. representan las veces a las cuales el valor del volumen de la fraccin de la austenita retenida est 10 veces abajo del mayor valor aproximado.

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Figura 13 A. Micrografa de ADI grado 1 Figura 13 B. Atacado con Nital 5%.

Este proceso comprende los siguientes pasos, segn la figura 14.

Figura 14. Esquemas del proceso de austenizado.

1.-Alcanzando la temperatura de Austenizado A-B. 2.-Austenizado B-C. 3.-Enfriamiento rpido Hertz, hasta alcanzar la temperatura de Austemperizado C-D. 4.-Tratamiento isotrmico a la temperatura de Austemperizado D-E. 5.-Enfriamiento a la temperatura ambiente E-F. Temperatura y tiempo de austenizado. Para elegir la temperatura de austenizacin ser preciso conocer la composicin qumica del hierro nodular. En la figura 10 se presenta un diagrama esquemtico de equilibrio del hierro nodular graftico.

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Figura 15. Esquema de un diagrama de fase del hierro nodular graftico. Los smbolos presentes, representan austenita (), ferrita (), y grafito (G). El UCT temperatura critica superior, y LCT temperatura critica inferior. La temperatura de austenizado debe elegirse de tal forma que los componentes estn en la franja de la austenita ms grafito (+G). Algunos elementos como el silicio levanta el punto crtico superior, en tanto el manganeso lo disminuye. Si la temperatura de austenizacin es ms baja que el UCT est en la franja crtica ++G (Figura 16), entonces la ferrita pro-eutectoide est presente en el final de la microestructura, haciendo que disminuyan los valores de resistencia y la dureza del material. Enseguida para ferrita formada el nico camino para eliminarla es recalentar el material arriba del UCT, (ver figura 15) que presenta la microestructura de un material austemperizado que fue tratado por debajo del UCT.

Figura 16. Foto micrografa de un ADI austenizado debajo de la temperatura critica superior, las

regiones claras son ferrita. El tiempo que se aplique la temperatura de austenizado, es tan importante como ella misma. Los componentes del hierro nodular deben tener un tiempo de residencia suficiente a fin de generar una matriz austentica, saturada de carbono. Este tiempo variar de acuerdo al contenido de aleacin del hierro nodular y mientras ms aleado se encuentre tomar ms tiempo la austenizacin.

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Enfriamiento hasta la temperatura de Austemperizado Enfriado desde la temperatura de austenizacin a la de austemperizado segn la figura (C-D)esta operacin debe ser realizada con la mxima rapidez para impedir la formacin de perlita. Si la perlita se formara, la resistencia a la tensin, la elongacin y la dureza se reduciran drsticamente. En la figura 17 se presenta una foto micrografa de un ADI grado 2 que contiene perlita.

Figura 17. Se aprecia perlita (constituyente oscuro) en la ausferrita.

La presencia de perlita influye en varias situaciones en que una falla en el enfriamiento brusco en la ltima etapa. C-D (Quenching) se refleja en una dureza por el tamao de la seccin efectiva de la pieza, que para resolverlo, se debe agregar agua al bao de sales fundidas. El equipo en que se usa aceite est limitado a la produccin de grado 5 de ADI, porque las temperaturas necesarias para producir un grado 4 son ms altas. El contenido de aleacin en el ADI es importante para los fines de dureza y de la capacidad de austemperabilidad del Hierro Nodular por lo tanto las adiciones de elementos aleantes se requieren cuando se trata de espesores mayores a 20 mm(). Es aconsejable que el fundidor y el responsable de aplicar el proceso de Tratamiento Trmico sean los idneos. A continuacin se detallan los elementos de aleacin que se agregan con fines de endurecimiento siendo el Cu, Ni y el Mo. No es recomendable aumentar los contenidos de Mn debido a que es uno de los que mayor tendencia a la segregacin poseen (Figura 18). Trata este elemento de situarse entre los ndulos de grafito. Por otra parte, tambin acta como un retardador de la reaccin de austemperizado, que incluso puede conducir a la formacin de martensita, provocado por un bajo contenido de carbono en la austenita.

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Figura 18. Fenmeno de segregacin que ocurre durante el enfriamiento, (solidificacin) siendo notable que sean el Mo y el Mn, grandes estabilizadores de carburos los ms proclives a este fenmeno. Las adiciones de Cu son recomendables en base a consideraciones de costo y a niveles normales. Si se excede en contenido superior a 0.80% crea una barrera a su difusin alrededor de los ndulos de grafito e inhibe tambin la difusin del carbono durante la etapa de Austenizado. Las adiciones de Ni se aaden, cuando el Cu ha alcanzado su contenido mximo recomendable (0.80%), estas adiciones son mximo de un 2% de Ni, por razones econmicas ($300.00/Kg.) no es recomendable llevarlos ms all del mencionado porcentaje. Las adiciones de Mo tomando en cuenta que es un potente agente estabilizador de carburos. Arriba mencionamos que con su cualidad de endurecedor, posee una gran desventaja por ser muy segregable en los espacios intercelulares e interdendrticos localizados entre los ndulos de grafito. La figura 19 que contiene una micrografa que muestra los carburos de Mo presentes en el ADI, si las piezas tratadas sern maquinadas en forma posterior deber evitarse la adicin del Mo (Figura19).

Figura 19. Carburos de Molibdeno (color claro) en el ADI.

A continuacin en la tabla 5 se presenta un resumen de las adiciones para Hierro Nodular que son necesarias para convertirlo en ADI.

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Tabla 5 .-Aleaciones recomendadas para obtener el ADI. Elemento Limite recomendado %peso Seccin %peso Manganeso 13 mm 0.35 Manganeso Mayor 13mm 0.60 Cobre 0.80 Nquel 2.0 Molibdeno 0.3

Cmo seleccionar la temperatura y el tiempo de Austemperizado? Ante todo deben tenerse en cuenta las propiedades que se desean alcanzar. Se mencionan los rangos mas utilizados, son de 238-399 C (460-750 F). Los grados bajos (1 y 2) requieren una temperatura ms alta del rango, mientras que los grados altos son producidos a ms baja temperatura. El tiempo y la temperatura, estn en funcin de la temperatura que marque el anlisis qumico (contenido de aleacin). Por ejemplo un ADI grado #1, se transforma ms rpidamente que un grado #5, mientras la temperatura se vaya aproximando a 93 C (200 F) ms arriba. Los componentes son retenidos en tiempo y temperatura suficientes para la formacin de la ausferrita. La ausferrita consiste en ferrita de alto carbono, y austenita estabilizada. Si fuera retenida por largos periodos, la austenita de alto carbono cambiara eventualmente a bainita, las dos fases de ferrita y carburo de hierro ( + Fe3C) de modo que para que ocurran estas transformaciones, se necesitan periodos de tiempo ms largos, de manera que no sera econmicamente viable para la produccin del ADI. Una vez que se haya producido la ausferrita, los componentes se enfran a temperatura ambiente. El rango de enfriamiento no afectar la microestructura final, pues el contenido de carbono de austenita es bastante alto para bajar la temperatura de comienzo de formacin de la martensita a una temperatura perceptiblemente debajo de la temperatura ambiente. Consideraciones de fundicin para la produccin del ADI El proceso de austemperizado crea un producto que es ms resistente que los grados convencionales del hierro nodular. Consecuentemente, es ms sensible a cualquier defecto que podra estar presente en el hierro nodular base. Cabe sealar que el proceso de Austemperizado no es aplicable como un remedio para un hierro nodular de mala calidad.

El efecto de los defectos ms leves en las caractersticas mecnicas del hierro nodular se magnifican como resultado del austemperizado. As, la dureza de un componente del ADI puede ser comprometida seriamente por la presencia de inclusiones no-metlicas, carburos, contraccin y escoria, incluso si sus niveles son aceptables para el hierro nodular convencional. No hay una receta ptima para obtener el hierro nodular, para que ste sea austemperizado. Sin embargo, la alta calidad es imperativa en todo proceso de fundicin. 2.4 CONTEO DE LOS NDULOS Y PORCIENTO DE NODULARIDAD Los mnimos recomendados para el conteo de ndulos y la nodularidad para que el hierro nodular sea elegible para el Austemperizado es como sigue: 1. Conteo de ndulos 100/mm2, mnimo (con una distribucin uniforme), 2. Nodularidad 85% mnimo. A) El conteo de ndulos es especialmente importante cuando se hacen las

adiciones de la aleacin. El conteo bajo de ndulos conduce a un espaciamiento ms grande entre los ndulos del grafito y las regiones ms grandes de la segregacin. En el peor panorama del caso, estas regiones pueden segregarse tan pesadamente que no se transforman completamente durante el austemperizado, dando por resultado la formacin de la austenita de la martensita. La figura 20 muestra las regiones de la segregacin que no se transformaron durante el austemperizado. Una concentracin ms alta de los ndulos (mayor conteo) rompe las regiones segregadas demostradas en la figura 20.

B) El porciento de nodularidad se refiere a la forma lo ms cercana posible a la

esfera. Hasta un 85% de forma cuasiesferoidal hace elegible para el tratamiento de austemperizado al hierro nodular.

Figura 20. Regiones segregadas (color claro) con alto

contenido de Mn en el ADI.

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2.5 EFECTO DE LOS ELEMENTOS ALEANTES El hierro nodular austemperizado es esencialmente diseado para aplicaciones que requieren una combinacin de alta resistencia y alta tenacidad, estas propiedades son el resultado de mltiples factores destacando: las caractersticas microestructurales, la nodularidad y los tipos de micro constituyentes que posee la aleacin; donde la nodularidad se refiere al porcentaje de grafito que se encuentra en forma de ndulos dentro de la fundicin de hierro.

Figura 21. Microestructura tpica del hierro nodular tratado a 315 C, mostrando la bainita

inferior (aleacin 1Ni-0.23Mo-0.6Cu) El efecto de los elementos aleantes determinan las tendencias de transformacin microestructural durante el tratamiento trmico de los hierros nodulares, de los cuales se mencionan a continuacin los que son de inters para el desarrollo de esta investigacin: Molibdeno Incrementa la solubilidad del carbono en la austenita y baja el coeficiente de difusin, incrementando el volumen de austenita estabilizada y disminuye el contenido de ferrita. El efecto sobre la templabilidad es diez veces superior al cobre. Forma carburos muy difciles de disolver. Se usa especialmente en piezas de gran seccin. Con contenidos superiores al 0.3% se incrementa la segregacin, lo cual es nocivo en algunas fundiciones.

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Nquel Disminuye la transferencia de carbono entre la matriz y los ndulos de grafito. Tiene un efecto marcado sobre la temperatura, ya que es un elemento estabilizador de la fase austentica, por lo tanto disminuye la temperatura de austenitizacin (transformacin a austenita). Kovacs (18) seala que no afecta la cintica de la 1 etapa (nucleacin de ferrita y austenita de alto carbono) pero retarda la precipitacin de carburos. Por otro lado, algunos autores afirman que este elemento retarda considerablemente la 1 etapa, este efecto es ms marcado cuando el nquel se usa en combinacin del cobre. El nquel incrementa el tiempo del tratamiento de austemperizado, requerido para alcanzar el mximo esfuerzo tensl para cualquier temperatura. Existe acuerdo para sealar que, incrementando el contenido de nquel en las fundiciones nodulares austemperizadas, se incrementa la ductilidad, alcanzando la mxima alrededor del 2.0%; a mayores contenidos hay una cada gradual en esta propiedad. Por otra parte, la resistencia a la tensin disminuye cuando se incrementa el contenido de nquel y dentro de un rango de temperatura del austemperizado de 300 a 400 C. Cobre De efectos similares al nquel, pero ms econmico, se agrega para aumentar la capacidad de templado. Es un promotor efectivo de la perlita en las fundiciones de hierro. Crea una barrera para la difusin del carbono, por lo que retarda el tiempo de austenitizacin. No se ha reportado que altere el inicio de la transformacin en el austemperizado, pero se cree que retarda la aparicin de carburos y por ende retarda la 2 etapa, por lo que ampla el intervalo de tiempo donde se tiene la mxima ductilidad y resistencia al impacto.

2.6 UTILIZACIN DEL HIERRO NODULAR En la figura 22, se muestran algunas partes automotrices de vehculos Japoneses, fabricadas con Hierro Nodular.

Figura 22. Algunas de las partes hechas con Hierro Nodular, utilizados en

Automviles Japoneses

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El ADI comparado con el acero y hierro dctil.

En costos 20% menor que el acero.

En densidad 10% menor que el acero.

Mejoras en la maquinabilidad.

Figura 23. Demostracin de ventajas del ADI comparado con el acero y hierro dctil.

El ADI comparado con Aluminio. EJEMPLOS:

Mnimo 30% rescatable en costos.

Tres tiempos de dureza. 2.3 tiempo de rigidez Fatiga Mejor resistencia en

uso.

Figura 24. Demostracin de ventaja del ADI comparado con el Aluminio

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C A P I T U L O

III

PRUEBAS DE MAQUINADO

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3.1 OBTENCION DEL HIERRO NODULAR

Las coladas de Hierro Nodular empleadas en el presente estudio fueron

producidas empleando una Unidad de fusin (HAE) capacidad 40 Kg. instalado

en el departamento de ingeniera metalrgica del IPN.

Para la obtencin del hierro nodular es preciso realizar cuatro operaciones que

son

A) Preparacin del metal base

B) Desulfurizacin

C) Nodulizacin

D) Inoculacin

A) Preparacin del metal base:

Temperatura ptima de fusin 1450 C, la mnima a vaciar ser de 1360 C, el

mtodo sndwich consume 30 C y el manejo del metal fundido que se lleva a

cabo en las dos ollas es un factor de gran prdida de temperatura que se debe

tener en cuenta para el vaciado del metal.

Material de carga:

Retorno de Hierro Nodular 8 Kg.

Lingote Sorel 9 Kg.

Acero 1010 3 Kg.

Carga Total= 20 Kg.

Nota: elementos de bajo Azufre y Silicio.

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B) Desulfurizacin;

El azufre inhibe la accin esferoidizante del Mg, al combinarse con l, y

se lleva a cabo cuando se vaca del horno a la olla por varios mtodos,

siendo los ms usados los siguientes:

a) Carburo de Calcio

Este fue utilizado en la experimentacin por su facilidad de uso y su gran desempeo como desulfurante.

La cantidad adicionada es del 2% en peso de la carga total del metal.

b) Carbonato de Sodio

Este compuesto, no fue utilizado en la prctica ya que es un compuesto de cuya funcionalidad debemos ser muy cuidadosos

por su fuerte desempeo corrosivo en el medio y hacia las

personas.

c) El mtodo del tapn poroso

Cuando se desulfura el metal producido en el horno de cubilote la eliminacin del azufre se efecta por medio de la escoria.

C) Nodulizacin

Esta se llev a cabo por el mtodo de proceso Sndwich: (tcnica utilizada para retardar la reaccin).

Esquema del sndwich utilizado: A Ferro Silicio Magnesio (288g)

B Rebaba de Hierro Gris (300g)

C Pedacera de Acero (500g)

Figura 25.- Esquema del sndwich utilizado.

D) Inoculacin;

- Se llev a cabo con Ferro Silicio en grano (malla 20) al 75% de pureza.

El objeto de la inoculacin es:

- Refinar la estructura metalogrfica.

- Promoviendo centros de nucleacin (precipitacin de grafito).

- Promover la precipitacin de grafito tipo A principalmente.

- Facilitar la operacin de maquinado

Dicha inoculacin se lleva a cabo al efectuarse la transferencia del metal tratado a la olla de colado o se puede realizar en el molde.

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3.2 ESTUDIO DE LA RESPUESTA AL TRATAMIENTO DE AUSTEMPERIZADO EN DIFERENTES MATRICES

La composicin qumica del hierro nodular obtenido es:

% C 3.6

% Si 2.8

% Mn 0.40

% Mg 0.04

% S 0.018

% P 0.02

Para controlar los contenidos de ferrita y Perlita en la matriz, muestras grandes

de material fueron sometidas a tratamientos trmicos de recocido y

normalizado. El hierro base fue caracterizado antes y despus de los

tratamientos trmicos correspondientes, los resultados obtenidos para

determinar el % de ferrita y perlita se presentan en la tabla 6.

Tabla 6. Matrices del hierro nodular funcin del tratamiento trmico aplicado

Material % de ferrita % de perlita

De colada 10 90

Normalizado 25 75

Recocido 75 25

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La caracterizacin metalogrfica del hierro nodular base realizada antes del

tratamiento trmico presento los siguientes resultados:

Tamao de ndulo 4 a 5 ASTM (de 16 mm de dimetro a 8 mm de dimetro a

100 X ).

Densidad 90 nodulos/mm2 .

90 % de nodularidad.

Carburos en la matriz menores al 1 %.

APLICACIN DE AUSTEMPERIZADO

El material de colada junto con los dos tratados trmicamente se maquinaron

muestras cilndricas de 5 mm de dimetro por 50 mm de longitud, as como

especimenes tipo Charpy de acuerdo a normas sugeridas por la ASTM. Las

muestras sometidas al tratamiento de ADI fueron previamente cobrizadas para

evitar oxidacin y decarburacin superficial de las mismas.

En la primera etapa de tratamiento todas las muestras fueron austenizadas a

920 C durante 35 minutos.

En la segunda etapa las muestras austenizadas se transfirieron rpidamente a

baos isotrmicos con dos temperaturas diferentes, una a 350 C y otra a 440

C, con una variacin de + 5 C, con el objeto de evaluar las respuestas de

altas y bajas temperaturas de tratamiento, los tiempos de permanencia en el

bao isotrmico de cada serie de muestras fueron 10, 20, 30 y 40 minutos

respectivamente.

Finalmente, despus de transcurrido el tiempo de permanencia en el bao

isotrmico las muestras fueron enfriadas en agua, el diseo experimental global

se muestra en la tabla 7.

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Despus de realizados los tratamientos trmicos de ADI indicados en la tabla 7,

todas las muestras fueron preparadas para anlisis metalogrfico, estas fueron

evaluadas por metalografa cuantitativa y algunas por SEM, as mismo se

evalu la resistencia al impacto (RI), la resistencia al desgaste (RD) y el valor

de la dureza Brinell (HB). En el caso especifico de la resistencia al desgaste,

esta se evalu en contacto con un disco de acero endurecido a 60 Rc, sin uso

de lubricantes bajo una carga de 6.5 Kg. durante un periodo de 5 horas.

Tabla 7. Condiciones experimentales de tratamiento isotrmico del hierro nodular.

TIEMPO DE PERMANENCIA EN

EL ISOTRMICO, MINUTOS

SERIE MATRIZ

TEMPERATURAISOTERMICA C

10 20 30 40

90 % P, 10 % F A11 A12 A13 A14

75 % P, 25 % F A21 A22 A23 A24 A

25 % P, 75 % F

350

A31 A32 A33 A34

90 % P, 10 % F B11 B12 B13 B14

75 % P, 25 % F B21 B22 B23 B24 B

25 % P, 75 % F

440

B31 B32 B33 B34

3.3 RESULTADOS

En la figura 26 se presenta la estructura original del material en condiciones de

colada con un 90% de perlita y 10% de ferrita, los materiales con tratamiento

de normalizado y recocido, son similares con el cambio correspondiente del %

de ferrita y el %de perlita de la matriz.

(A) (B)

Figura 26. (A) Microestructura del hierro nodular con una matriz de 25% de perlita y 75% de

ferrita (66X), (B) con 90% de perlita y 10% de ferrita (66X)

Los resultados obtenidos del anlisis metalografico efectuado en las muestras

tratadas, en las cuales se evalu el % de austenita sin transformar y el % de

ausferrita, se presenta en las tablas 8 y 9.


MUESTRA

MATRIZ / % DE AUSTENITA SIN TRANSFORMAR

TIEMPO DE

TRATAMIENTO

(MINUTOS) 90 % P, 10 % F 75 % P, 25 % F 25 % P, 75 % F

10 9.0 9.5 28.5

20 8.5 9.2 27.5

30 2.1 3.4 13.0

40 2.8 6.2 15.2

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MUESTRA

MATRIZ / % DE AUSTENITA SIN TRANSFORMAR

TIEMPO DE

TRATAMIENTO

(MINUTOS) 90 % P, 10 % F 75 % P, 25 % F 25 % P, 75 % F

10 13.0 14.1 32.5

20 10.5 15.2 28.0

30 5.1 6.0 18.0

40 4.8 5.1 15.0

En relacin a los resultados de propiedades mecnicas, los valores obtenidos

para la resistencia al impacto (RI en Joules), resistencia al desgaste (RD)

estimado como % de perdida en peso despus de 10 horas) y la dureza Brinell

(HB), para las dos temperaturas de tratamiento isotrmico se presentan las

tablas 10 y 11. Adicionalmente en las figuras 27 y 28 se muestran algunas

microestructuras representantes de los hierros en diversas condiciones

despus del tratamiento ADI.


MUESTRA

MATRIZ ORIGINAL / PROPIEDAD EVALUADA

90 % P 10 % F 75 % P 25 % F 25 % P 75 % F

TIEMPO DE

TRATAMIENTO

(MINUTOS) RI RD HB RI RD HB RI RD HB

10 77.5 9.3 355 62 9.7 345 56 12.5 235

20 78.4 9.2 366 79 9.6 353 59 12.2 341

30 89.9 8.9 368 86 9.4 358 64 10.7 255

40 102 9.0 375 94 9.6 348 62 10.3 272


MUESTRA

MATRIZ ORIGINAL / PROPIEDAD EVALUADA

90 % P 10 % F 75 % P 25 % F 25 % P 75 % F

TIEMPO DE

TRATAMIENTO

(MINUTOS) RI RD HB RI RD HB RI RD HB

10 74.2 10.8 255 73 10.9 250 52 13.8 230

20 78.1 10.3 278 78 10.5 274 56 13.2 240

30 99.5 9.9 298 98 10.2 294 63 11.0 248

40 98.1 9.9 302 96 10.3 294 62 11.1 243

(A) (B) Figura 27. (A) Microestructura del hierro con tratamiento ADI a 350C durante 40 minutos con

matriz de partida 75% ferrita - 25% perlita (66X), (B) con matriz de partida 10% ferrita 90%

perlita en las mismas condiciones de tratamiento ADI (66X)

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(A) (B) Figura 28. (A) Microestructura del hierro con tratamiento ADI a 440C durante 40 minutos con

matriz base 10% ferrita - 90% perlita (150X), (B) con matriz de partida 10% ferrita 90% perlita

en las mismas condiciones de tratamiento ADI (150X)

La figura 29 representa la microestructura obtenida por SEM de la muestra

tratada a 440 C durante 40 minutos, observar en este caso las zonas aledaas

al ndulo de grafito, las cuales se encontraban rodeadas por ferrita antes del

tratamiento ADI, en esta zona se presenta una mayor cantidad de austenita sin

transformar debido a la baja concentracin de carbono en esta fase, la cual

origina primero la austenita, posteriormente y durante el tratamiento isotrmico

debera formar la ausferrita, la cual no se presenta debido a la deficiencia de

carbono en la austenita base.

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Figura 29. Zona aledaa al ndulo, en la muestra tratada isotrmicamente a 400C durante 40

minutos, con la matriz original de 25% ferrita 75% perlita, escala 5 m

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3.4 ANALISIS DE RESULTADOS

En base a los resultados obtenidos, el maquinado de las piezas de hierro

nodular austemperizado se ha dividido en tres operaciones claramente

identificables y son:

Aplicarlo completo antes del tratamiento trmico

Realizar operaciones preparatorias burdas antes del tratamiento trmico y al final llevar a cabo el terminado fino.

Aplicar el maquinado completo despus del tratamiento trmico

La operacin de maquinado completo llevada a cabo antes del tratamiento

trmico se facilita porque se realiza el corte con las herramientas en matrices

del hierro del tipo ferrticas- perlticas. En esta condicin las operaciones de

maquinado son realmente fciles y por lo tanto resultan econmicas al

alcanzarse altas velocidades de corte as como una alta productividad con un

bajo consumo de herramientas de corte.

A lo anterior solo se presenta un pequeo problema que significan los cambios

dimensionales que sufren las piezas despus de aplicado el tratamiento

trmico correspondiente por una parte el de la reduccin de las propiedades

superficiales por efectos de la decarburizacin y por el otro, los necesarios

ajustes dimensionales que incluso pudieran requerir operaciones

suplementarias de acabado. De all que la combinacin de maquinado burdo

antes del tratamiento y el terminado despus de aplicado dicho tratamiento

representan un importante costo en la logstica de las operaciones.

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De manera general las plantas, de fundicin, la de tratamiento trmico y la de

maquinado involucradas, generalmente no estn situadas en una misma

instalacin. En los EE UU de Norteamrica el 90 % de las empresas

productoras de ADI. el tratamiento trmico correspondiente lo realizan dentro

de la figura administrativa de Out Sourcing (maquila) o subcontratacin. Casi

todos los esfuerzos se han dedicado a la produccin y elaboracin correcta del

hierro nodular austemperizado, pero las operaciones de tratamiento trmico o

de maquinado burdo y posteriormente al tratamiento trmico, el acabado fino,

representan grandes recorridos del material en idas y regresos, y que

constituyen un excesivo recorrido en manejo de los materiales que demoran

las entregas al cliente afectando los esfuerzos para lograr este objetivo, y no se

diga en caso de no conformidades en algunos lotes de produccin con lo que la

operacin resulta muy demorada. Han surgido a la solucin de esta

problemtica los avances tecnolgicos en herramientas de corte y en los

procesos de maquinado que facilitan el trabajado de los nuevos materiales.

En resumen persisten dos situaciones contradictorias que se mencionan:

El hierro nodular austemperizado es ms fcilmente maquinado que el acero

de la misma dureza debido a la presencia del grafito en su microestructura.

La dificultosa maquinabilidad en el hierro nodular una vez que ha sido

austemperizado est relacionada con la presencia de austenita retenida la cual

es endurecedora y con la posibilidad de convertirse en martensita al

prolongarse el tiempo de ausferritizacin o por endurecimiento mecnico

durante los procesos de corte.

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3.5 FUNDAMENTOS DEL GRADO DE MAQUINABILIDAD DEL HIERRO NODULAR AUSTEMPERIZADO La maquinabilidad de este material fue evaluado referido a cuatro principales

criterios:

a. Desgaste de herramienta

b. Formacin de rebaba

c. Calidad de la superficie

d. Esfuerzo de corte (H. P.)

La calidad superficial y la formacin de la rebaba obtenida en el corte al

maquinar el hierro nodular austemperizado no difiere gran cosa de los otros

hierros nodulares simples. La rebaba es quebradiza y el acabado superficial es

aceptable influenciado principalmente por la presencia de los ndulos de

grafito. El desgaste de herramienta y el esfuerzo de corte se analizan ms de

cerca.

Por lo general el mencionado desgaste de la herramienta de corte es uno de

los criterios que privan para reconocer el grado de maquinabilidad de este

material. Derivado de lo anterior es aplicable el criterio de los parmetros de

corte, y muy particularmente, la velocidad de maquinado, que impacta

fundamentalmente en la productividad por este concepto.

Uno de los puntos importantes objeto de este estudio fue el maquinado de este

material. Por una parte se reconoce el incremento de la dureza superficial que

se obtiene despus de que se le ha aplicado el tratamiento, por lo que una de

las alternativas es efectuar el maquinado antes de someterlo al mencionado

tratamiento.

IPN ESIQIE 49

Lo anterior presentaba el problema de la oxidacin que deba ser removida por

alguno de los mtodos de limpieza cscara de nuez o de arroz, con el fin de

evitar la prdida dimensional.

Se puede observar que la matriz del hierro base, en conjunto con la

temperatura y el tiempo de tratamiento isotrmico tienen una influencia

significativa en la cantidad de ausferrita y austenita sin transformar.

La matriz con altos % de perlita promueve la formacin de estructuras

predominantemente ausferrticas y con menores cantidades de austenita sin

transformar, observar las tablas 8 y 9,as como las figuras 27 y 28, lo que

conduce a hierros con estructuras ms homogneas y propiedades superiores.

Los resultados obtenidos tienen una tendencia similar a los reportados por

Aranzabal(14). El cual reporta la dependencia de la fraccin de austenita sin

transformar en funcin de la temperatura de austenizacin y la temperatura del

tratamiento isotrmico, aunque no especifica el efecto de la matriz.

Por otro lado Boutorabi(15) presenta algunos datos de la dependencia de la

resistencia al impacto en funcin de la fraccin de austenita en la

microestructura despus del tratamiento ADI, tampoco evala con precisin el

efecto de la matriz del hierro nodular base. En las tablas 10 y 11 se puede

observar el impacto sobre las propiedades mecnicas que tiene la austenita sin

transformar, notndose que la matriz con el mayor % de ferrita alcanza las

propiedades ms elevadas, las cuales tiene su valor ms alto a temperaturas

de tratamiento isotrmico de 350 C y con un tiempo de permanencia de 30

minutos.

Las estructuras obtenidas a esta temperatura de tratamiento isotrmico son

fases finas de ausferrita distribuidas homogneamente en la matriz de

austenita, las cuales produce el incremento en las propiedades reportadas.

IPN ESIQIE 50

Lo anterior es una clara evidencia que los hierros nodulares sin alear son

susceptibles de ser tratados por procesos ADI y con una adecuada respuesta

microestructural y consecuentemente una mejora sensible en propiedades, sin

embargo los % de perlita en el hierro base son una caracterstica fundamental

para obtener dicha respuesta.

En el caso particular de este estudio un 90 % de perlita es una buena base de

partida. Sin embargo consideramos que es necesario el hacer trabajos

adicionales variando a otros intervalos los % de ferrita y perlita en la matriz, con

la finalidad de determinar el nivel mnimo de perlita en la matriz, la cual sea

suficiente para proveer una buena respuesta de los hierros no aleados a

tratamientos ADI.

Basados en los resultados obtenidos en la experimentacin queda demostrado

que sta se llev a cabo con xito, siendo satisfactoria para la adecuacin y

desarrollo de nuevos procesos de productos que requieran transformacin

isotrmica.

Se observa que la mayora de las propiedades mecnicas del hierro nodular

obtenido fueron modificadas, incrementndolas considerablemente,

cumplindose el principal objetivo.

En otro orden de cosas, resuelta la prctica de la obtencin del hierro nodular

austemperizado, qued de una manera comprensible el alcance de la

investigacin respecto a uno de los puntos clave que afectan la productividad

de este nuevo material y que son las consideraciones para su eficiente maquinado.

Ha influido en la aceptacin de este material la eficiencia que se ha logrado en

el mencionado maquinado, debido a los avances logrados en las herramientas

de corte y equipos especiales que facilitaron dicha operacin.

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C A P I T U L O

IV

PROYECCIN A FUTURO

IPN ESIQIE 52

Como se dijo anteriormente, debido a la urgencia con que se requiere atender

los problemas ambientales derivados del uso del autotransporte es preciso una

disminucin del peso de los mismos con vista al ahorro de combustible, as

como la reduccin de emisiones (Protocolo de Kyoto).

Existe una gran relacin que guardan entre s la Industria Automotriz y la

Industria de la Fundicin, ya que la Industria Automotriz consume el 70% de la

produccin de la Industria de la Fundicin.

Las aleaciones que en el futuro demandara el mercado mundial de partes y

componentes son principalmente el Aluminio, el Magnesio y el ADI.

El uso del Aluminio en la fabricacin de los monoblocks implica una reduccin

del 30% del peso en relacin a los fabricados de hierro. El Magnesio requiere

menor calor latente de fusin y tiene menor peso especifico que el Aluminio.

El ADI supera un 40% las propiedades fsicas del hierro nodular simple y slo

requiere el 70% de seccin transversal respecto al acero, a igualdad de cargas.

La demanda de aleaciones (ms ligeras y con propiedades fsicas mejores a la

utilizadas actualmente) para los prximos 20 a 30 aos se presenta en la tabla

12.

Tabla 12 Porcentaje de las aleaciones demandadas para los prximos 20 / 30 AOS

negrete lopez

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